1. A maradékos osztás

Átírás

1 1. A maradékos osztás Egész számok osztása. 223 = Visszaszorzunk 223 : 7 = Állítás (számelméletből) Minden a, b Z esetén, ahol b 0, létezik olyan q, r Z, hogy a = bq + r és r < b. Polinomok osztása. (2x 3 + 2x 2 + 3x + 2) : (x 2 + 1) = 2x + 2 (2x x) 2x 2 + x + 2 (2x ) x 2x 3 + 2x 2 + 3x + 2 = (x 2 + 1)(2x + 2) + x. (2x 3 )/x 2 = 2x Visszaszorzunk: (2x)(x 2 + 1) = 2x 3 + 2x (2x 2 )/x 2 = 2 Visszaszorzunk: 2(x 2 + 1) = 2x és r = 0, vagy gr(r) < gr(g). A q és r egyértelműen meghatározott. Maradékos osztás: létezés. és r = 0, vagy gr(r) < gr(g).

2 gr( f ) szerinti indukció. Ha f = 0, vagy gr( f ) < gr(g): f = g 0 + f. Tegyük föl: gr( f ) = n gr(g), és az n-nél kisebb fokúakra igaz. Legyen f főtagja ax n és g főtagja bx m, ahol b 0 és m n. Ekkor f 0 = f (a/b)x n m g-ből kiesik az n-edfokú tag. Indukciós feltevés: f 0 = gq 0 + r, ahol r = 0, vagy gr(r) < gr(g). f = f 0 + (a/b)x n m g = g ( q 0 + (a/b)x n m) + r. Tehát f is elosztható maradékosan g-vel. A q és r együtthatói a négy alapművelettel kaphatók. Az eljárás során csak g főegyütthatójával osztunk. Maradékos osztás: együtthatók. és r = 0, vagy gr(r) < gr(g). A q és r együtthatói a négy alapművelettel kaphatók. Az eljárás során csak g főegyütthatójával osztunk. Következmény Lehet maradékosan osztani R[x]-ben és Q[x]-ben is. Oka: R-ben és Q-ban minden nem nulla számmal oszthatunk. Következmény Z[x]-ben oszthatunk maradékosan az olyan polinomokkal, amelyek főegyütthatója 1 vagy 1. Oka: Z-ben 1-gyel és 1-gyel minden számot eloszthatunk. Maradékos osztás NINCS Z[x]-ben. A x : 2 maradékos osztás nem végezhető el Z[x]-ben. Indirekt föltevés: x = 2q + r, ahol q, r Z[x], és r = 0 vagy gr(r) < gr(2). De gr(r) < gr(2) = 0 nem lehet, tehát r = 0, azaz x = 2q(x). Ez lehetetlen, például x = 1-et helyettesítve azt kapjuk, hogy 1 = 2q(1), azaz 1 páros szám, ami ellentmondás. Megjegyzés Q[x]-ben x : 2-nél a hányados x/2, a maradék 0. Így a maradékos osztás egyértelműségéből is látszik, hogy x : 2 nem végezhető el Z[x]-ben, hiszen x/2 / Z[x]. Maradékos osztás: egyértelműség. Legyen f, g C[x], ahol g 0. f = gq 1 + r 1, ahol r 1 = 0, vagy gr(r 1 ) < gr(g). f = gq 2 + r 2, ahol r 2 = 0, vagy gr(r 2 ) < gr(g). Ekkor q 1 = q 2 és r 1 = r 2. 2

3 gq 1 +r 1 = f = gq 2 +r 2, átrendezéssel g(q 1 q 2 ) = r 2 r 1. Itt r 2 r 1 vagy nulla, vagy g-nél kisebb fokú. Ha q 1 q 2 0, akkor gr ( g(q 1 q 2 ) ) = gr(g)+gr(q 1 q 2 ) gr(g). Ez ellentmondás, tehát q 1 q 2 = 0, és így q 1 = q 2. De akkor r 2 r 1 = g 0 = 0, és így r 1 = r 2. Lásd Kiss-jegyzet, 3.2. Szakasz. 2. Oszthatóság polinomok között Oszthatóság. Azt mondjuk, hogy a g R[x] polinom osztója f R[x]-nek R[x]-ben, ha létezik olyan h R[x] polinom, hogy f (x) = g(x)h(x). Jelölés: g f (vagy néha g R[x] f ). Példák x + 1 osztója x 2 1-nek C[x], R[x], Q[x], Z[x] mindegyikében, mert x 2 1 = (x + 1)(x 1), és x + 1 Z[x], Q[x], R[x], C[x]. 2 osztója x-nek C[x], R[x], Q[x] mindegyikében, mert x = 2(x/2), és x/2 Q[x], R[x], C[x]. 2 nem osztója x-nek Z[x]-ben, mert ha 2h(x) = x lenne, ahol h(x) = c 0 + c 1 x +..., és c 0, c 1,... egészek, akkor x együtthatóját véve 2c 1 = 1 teljesülne. A hányados együtthatói. Következmény (Kiss-jegyzet, Állítás) Tegyük föl, hogy g(x) osztója f (x)-nek C[x]-ben, és f, g R[x]. Ekkor g f teljesül R[x]-ben is. A feltevés szerint f (x) = g(x)h(x), ahol h C[x]. Osszuk el maradékosan f -et g-vel R[x]-ben: f = gq + r, ahol q, r R[x] és r = 0, vagy gr(r) < gr(g). Ez C[x]-ben is egy maradékos osztás. De C[x]-ben f = gh + 0 is egy maradékos osztás. A C[x]-beli egyértelműség miatt q(x) = h(x). De q R[x], ezért h R[x]. Ugyanígy R helyett Q-ra is. 3

4 Egységek. Azt mondjuk, hogy a g R[x] polinom egység R[x]-ben, ha minden R[x]-beli polinomnak osztója R[x]-ben. (Kiss-jegyzet, Gyakorlat) C[x], R[x], Q[x] egységei a nem nulla konstans polinomok. Z[x] egységei csak az 1 és a 1. (vázlat) Ha g(x) egység, akkor osztója a konstans 1 polinomnak, azaz van reciproka. Láttuk (fokszámmal), hogy g konstans. C, R, Q-ban minden nem nulla számmal lehet osztani, Z-ben csak ±1-gyel osztható minden szám. Kitüntetett közös osztó. Azt mondjuk, hogy h(x) az f, g R[x] polinomok kitüntetett közös osztója R[x]-ben, ha közös osztójuk, azaz h f és h g, továbbá h az f és g minden közös osztójának többszöröse, azaz tetszőleges k polinomra k f és k g esetén k h. Mint számelméletben (Kiss-jegyzet, 3.1 és 3.2. Szakasz) A kitüntetett közös osztó egységszeres erejéig egyértelműen meghatározott. Azaz ha h 1 és h 2 is kitüntetett közös osztója f -nek és g-nek, akkor h 1 és h 2 egymás egységszeresei. Az f és g kitüntetett közös osztója C, R, Q fölött az euklideszi algoritmussal számítható ki, és fölírható f (x)u(x) + g(x)v(x) alakban alkalmas u(x), v(x)-re. 3. Konjugált gyökök Az algebra alaptételének következménye. Beláttuk Minden n-edfokú komplex együtthatós f polinom fölírható c(x b 1 )...(x b n ) alakban, ahol c az f főegyütthatója. Ez az f polinom gyöktényezős alakja. Beláttuk Minden n-edfokú komplex együtthatós polinomnak multiplicitásokkal számolva n darab gyöke van. Állítás Páratlan fokú valós együtthatós polinomnak van valós gyöke. Ötlet: párosítsunk minden gyököt a komplex konjugáltjával. 4

5 Gyök konjugáltja. Állítás (Kiss-jegyzet, Lemma) Legyen f = a 0 +a 1 x +...+a n x n valós együtthatós polinom. Ha c C gyöke f -nek, akkor c konjugáltja is gyöke f -nek. a 0 + a 1 c a n c n = 0, vegyük mindkét oldal konjugáltját. A konjugálás összeg- és szorzattartó: z + w = z + w és zw = z w. Így ezt kapjuk: f ( c ) = a 0 + a 1 c a n c n = 0 = 0. Valós szám konjugáltja önmaga, tehát 0 = 0 és a j = a j. Így a bal oldalon f ( c ) áll, a jobb oldalon 0, tehát c gyöke f -nek. A konjugált multiplicitása. Állítás A c és a c ugyanannyiszoros gyöke f -nek. f foka szerinti indukcióval. Ha c valós: nyilvánvaló. Legyen c = a + bi, ekkor c = a bi. Ha c nem valós, akkor c c, így x c és x c egyszerre kiemelhetők. Tehát f (x) = (x c)(x c)h(x), ahol h C[x]. (x c)(x c) = x 2 (c + c)x + cc = x 2 2ax + (a 2 + b 2 ) R[x]. A korábbi Következmény miatt h(x) is valós együtthatós. Az indukciós feltevés miatt c és c ugyanannyiszoros, mondjuk k-szoros gyökei h(x)-nek (k = 0 is lehet!). Így f (x)-nek c és c is k + 1-szeres gyöke. 5